一種功率變流器大調(diào)制比下的死區(qū)補償方法

陳宇航，　李　哲，　莊火庚，　袁　陽，　陳穆清

(1. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島　125004；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上?！?00063)

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一種功率變流器大調(diào)制比下的死區(qū)補償方法

陳宇航1，李哲1，莊火庚2，袁陽1，陳穆清1

(1. 海軍駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧 葫蘆島125004；2. 上海電器科學(xué)研究所(集團)有限公司，上海200063)

針對橋式開關(guān)器件在大調(diào)制比時死區(qū)時間導(dǎo)致的推進變流器直流電壓利用率低的問題，提出了一種大調(diào)制比時的死區(qū)補償方法。通過將大占空比脈寬處理成恒導(dǎo)通，將小占空比處理成恒關(guān)斷，由此消除了死區(qū)時間對有效占空比的影響，提高了推進變流器的直流電壓利用率，降低了變換器的諧波含量。分析了大調(diào)制比時的死區(qū)補償方法的原理及可行性，并通過試驗進行驗證，結(jié)果表明了所提出補償方法的簡單性和有效性。

功率變流器； 大調(diào)制比； 電壓利用率； 死區(qū)補償

0　引　言

隨著電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，采用電力傳動系統(tǒng)的船舶推進方式將逐步取代常規(guī)機械推進方式，成為未來船舶發(fā)展的方向[1-2]。目前，傳動電能變換系統(tǒng)大多采用交流供電，并通過交-交電能變換裝置，實現(xiàn)目標(biāo)交流電制的產(chǎn)生。其中，作為變流器的核心，DC-AC變換成為VVVF主要實現(xiàn)環(huán)節(jié)。在輸入直流電壓基本穩(wěn)定的條件下，輸出交流電壓和頻率需根據(jù)負(fù)載電機工況進行動態(tài)調(diào)節(jié)。

限于目前半導(dǎo)體開關(guān)器件存在的不可避免的開通延時和關(guān)斷延時，為實現(xiàn)開關(guān)器件的有效開關(guān)動作，H半橋開關(guān)器件間需添加死區(qū)時間，以防止橋臂直通。另外，開關(guān)器件的最小脈沖寬度受到一定的約束，使得器件控制脈沖不能無限小。死區(qū)時間的添加和最小脈沖寬度限制增加了輸出電壓的畸變，降低了變流器的有效調(diào)制比，使得變流器的直流電壓利用率受到限制[3- 4]。

為此，研究一種大調(diào)制比下的死區(qū)補償方法，將有助于降低輸出電氣量的諧波含量，消除因死區(qū)時間的增加導(dǎo)致的有效調(diào)制比的減小，提高直流電壓利用率。

文獻[4]分析了死區(qū)時間和最小脈沖寬度對中點箝位式(Neutral Point Clamped， NPC)三電平變流器的影響，并提出了一種結(jié)合死區(qū)補償和最小脈沖寬度補償?shù)姆椒?。文獻[5]針對最小脈沖寬度限制，提出了一種采用調(diào)制波疊加零序分量的空間矢量調(diào)制方法，將線性調(diào)制區(qū)域內(nèi)的電壓損失降低了近一半，從而在過調(diào)制區(qū)增大了輸出電壓的基波幅值。文獻[6]分析了線性調(diào)制區(qū)對變流器抗電壓跌落和輸出功率能力的關(guān)系，提出了一種適用于寬范圍調(diào)速的可切換調(diào)制方法的死區(qū)和最小脈沖寬度補償方法，但其在實現(xiàn)過程中需頻繁的切換調(diào)制方法，增加了裝置的實現(xiàn)難度。另外，文獻[7-8]分別針對五電平逆變器和三電平逆變器提出了相應(yīng)的窄脈沖補償方法。

從現(xiàn)有的死區(qū)和最小脈沖寬度補償方法可知，很多文獻僅從目標(biāo)實現(xiàn)著手對死區(qū)和最小脈沖寬度限制進行補償，并未結(jié)合實際裝置的工程實現(xiàn)，導(dǎo)致調(diào)制實現(xiàn)難度大。特別是隨著多相系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，要求變流器的死區(qū)效應(yīng)補償具有簡單有效的特點。因此，本文針對多相H橋推進變流器，提出了一種大調(diào)制比下的死區(qū)補償方法。通過判斷調(diào)制波是否落入最小脈沖寬度補償區(qū)間及窄脈沖移位的方式，避免橋臂死區(qū)時間的加入，實現(xiàn)死區(qū)補償。最后，通過試驗對所提方法進行了驗證。

1　H橋變流器大調(diào)制比下的死區(qū)補償分析及實現(xiàn)

1.1H橋變流器結(jié)構(gòu)

圖1所示為一種采用H橋型逆變裝置的電氣示意圖。采用成熟的H橋逆變單元實現(xiàn)六相系統(tǒng)的模塊化和集成化設(shè)計，在提高變流器冗余設(shè)計的同時，易于實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

圖1　六相H橋逆變裝置電氣示意圖

直流母線電壓通過H橋逆變單元逆變產(chǎn)生每相電機繞組所需的變壓變頻交流量。兩個三相繞組互差30°，每個三相繞組相位差120°。變流器根據(jù)輸出指令，調(diào)整每相逆變單元調(diào)制信號的幅值和頻率，利用PWM產(chǎn)生開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，實現(xiàn)信息流對能量流的精確控制，從而保證電機的有效運行。根據(jù)所選用的IGBT參數(shù)，開關(guān)器件的最小脈沖寬度為4μs，加上死區(qū)時間，有效脈寬損失近10μs，導(dǎo)致變流器在最大工作點的輸出電壓不能滿足要求。

1.2H橋變流器大調(diào)制比下的死區(qū)補償分析

針對H橋變流器結(jié)構(gòu)，根據(jù)正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM)原理，為消除半橋上、下管死區(qū)時間的加入對開關(guān)器件最小脈沖寬度的限制，可行的處理方案如下： 當(dāng)調(diào)制比很大時，在整個開關(guān)周期中，半橋下管保持關(guān)斷、上管根據(jù)實際時序進行開關(guān)動作；當(dāng)調(diào)制比很小時，半橋上管保持關(guān)斷、下管按實際時序進行開關(guān)動作。此種處理方法，將理論長時間處于關(guān)斷狀態(tài)的IGBT處理成恒關(guān)斷，半橋上、下管驅(qū)動脈沖間不需要添加死區(qū)時間，由此提高了變流器的有效調(diào)制比。

由于H橋左、右半橋調(diào)制信號互補，各半橋存在調(diào)制比很大和很小兩種情況，因此，以下針對此兩種工況的死區(qū)補償機理進行詳細(xì)分析。

(1) 左半橋調(diào)制比很大、右半橋調(diào)制比很小。此時，補償機理如圖2所示。

圖2　左半橋調(diào)制比很大、右半橋調(diào)制比很小時的死區(qū)補償原理

圖2中，在一個開關(guān)周期Ts中，開關(guān)器件S1和S4按正常時序動作，S2和S3保持恒關(guān)斷。此時，當(dāng)負(fù)載電流方向為正時(向右)，S1和S4的正常開關(guān)保證了負(fù)載輸出電壓的有效值；S1和S4關(guān)斷時，負(fù)載電流經(jīng)D2或D3續(xù)流，處于恒關(guān)斷的S2和S3對輸出電壓無影響，即此種工況下，半橋開關(guān)間不再需要添加死區(qū)時間，死區(qū)補償方法對輸出電壓無影響，電機工作在正向電動狀態(tài)。

當(dāng)負(fù)載電流方向為負(fù)時(向左)，S2和S3在整個周期中恒關(guān)斷，負(fù)載電流只能通過D1和D4續(xù)流，逆變單元在整個開關(guān)周期中輸出電壓恒為u，S1和S3開關(guān)狀態(tài)對輸出電壓無影響。此時，死區(qū)補償將使變流器的有效變比增大，變流器實際輸出電壓開關(guān)周期平均值增量為(1-d+ddead)u，其中d為參考調(diào)制比，ddead為死區(qū)占空比。增加的電壓來源如表1所示。

表1　負(fù)載電流為負(fù)時的輸出電壓狀態(tài)

從表1可知，在逆變單元開關(guān)狀態(tài)11和00狀態(tài)下，死區(qū)補償后的輸出電壓為u，使得此兩種開關(guān)狀態(tài)下，負(fù)載電機處于反向制動狀態(tài)。

(2) 左半橋調(diào)制比很小、右半橋調(diào)制比很大。補償機理如圖3所示。

圖3　左半橋調(diào)制比很小、右半橋調(diào)制比很大時的死區(qū)補償原理

類似地，S2和S3按照正常時序開關(guān)，S1和S4保持關(guān)斷。當(dāng)電流為負(fù)時，負(fù)載電流流經(jīng)S2、S3和D1、D4，處于恒關(guān)斷的S1和S4對逆變單元輸出電壓無影響，電機工作在反向電動狀態(tài)。

當(dāng)電流為正時，由于S1和S4在整個周期中恒關(guān)斷，輸出電壓恒為-u。同樣，死區(qū)補償使輸出電壓開關(guān)周期平均值增加了(1-d+ddead)u。相應(yīng)地，增加的電壓來源如表2所示。

表2　負(fù)載電流為正時的輸出電壓狀態(tài)

同樣，在逆變單元開關(guān)狀態(tài)11和00狀態(tài)下，死區(qū)補償后的輸出電壓為-u，使得此兩種開關(guān)狀態(tài)下，電機處于正向制動狀態(tài)。

綜上可知，采用將小占空比的IGBT處理成恒關(guān)斷的死區(qū)補償方法，當(dāng)逆變單元調(diào)制比d很大且負(fù)載電機工作在電動狀態(tài)時，此種補償方法能夠有效地消除因添加死區(qū)導(dǎo)致的最小脈沖寬度受限的問題，且不會產(chǎn)生額外負(fù)面影響。當(dāng)電機工作在制動狀態(tài)時，采用以上補償方法，在給定調(diào)制信號進入補償區(qū)間后，變流器的等效調(diào)制比增加，有利于提高電壓利用率。

1.3H橋變流器大調(diào)制比下的死區(qū)補償實現(xiàn)

以上大調(diào)制比下的死區(qū)補償方法的一個難點在于補償和不補償?shù)倪^渡過程中脈寬補償?shù)奶幚?。?dāng)相鄰兩個開關(guān)周期給定的調(diào)制比分別在補償閾值兩側(cè)，理論上一個開關(guān)周期對脈沖進行補償，一個開關(guān)周期不進行脈沖補償。由于實際脈沖產(chǎn)生采用單極性倍頻的調(diào)制方式，生成的脈沖被均分成兩部分，分別位于開關(guān)周期首尾，導(dǎo)致在過渡周期連接處出現(xiàn)單邊脈寬變窄，輸出脈寬存在小于最小脈沖寬度值的可能。

為消除以上補償方法可能引入的窄脈沖，簡單的處理方式是對小于最小脈沖寬度的窄脈沖進行移位拓寬。即當(dāng)控制脈沖從不需要補償?shù)闹袛嚅_關(guān)周期向需要補償?shù)闹袛嘀芷谶^渡時(進入補償)，非補償周期結(jié)束時刻的脈沖寬度可能小于最小脈沖寬度限制，因此，需對非補償周期結(jié)束時小于最小脈沖寬度的窄脈寬進行拓寬；而當(dāng)控制脈沖從補償狀態(tài)向不補償狀態(tài)過渡時(退出補償)，非補償周期起始時的脈沖寬度也可能小于最小脈沖寬度限值，需在非補償周期起始時刻去掉此脈沖。以負(fù)載電流為正、大調(diào)制比時右半橋為分析對象，就調(diào)制比變化、補償過渡過程的脈沖產(chǎn)生原理進行分析，其原理如圖4所示。

圖4　補償過渡過程脈沖生成處理方式示意圖

對于補償過渡過程，若前一周期調(diào)制波在死區(qū)補償范圍內(nèi)，而此周期的調(diào)制波在補償范圍外，即當(dāng)前開關(guān)周期為退出補償過渡過程。此時，判斷本開關(guān)周期調(diào)制信號產(chǎn)生的單邊脈沖是否小于最小脈沖寬度。若是，則需將非補償周期中前半周期中的窄脈沖去掉；若不是，則不需要對當(dāng)前開關(guān)周期脈沖進行處理。

若前一周期調(diào)制波在死區(qū)補償范圍外，而此周期的調(diào)制波在補償范圍內(nèi)，即此周期為進入補償過渡過程。同樣，判斷本開關(guān)周期調(diào)制信號產(chǎn)生的單邊脈沖是否小于最小脈沖寬度。若是，則需在補償開關(guān)周期起始時延續(xù)上一非補償周期的窄脈沖，拓寬其脈寬已達到最小脈沖寬度限值；若不是，則對其脈沖不進行處理。

2　試驗結(jié)果與分析

根據(jù)以上大調(diào)制比下的死區(qū)補償方案，編程實現(xiàn)以上補償功能，并基于H橋變流器進行試驗。試驗參數(shù)如下： 開關(guān)周期5kHz，基波頻率為25Hz，調(diào)制比為1，直流母線電壓300V，阻感負(fù)載，相應(yīng)的試驗波形如圖5所示。

對死區(qū)補償前后的輸出電壓進行FFT分析，得到兩種工況下輸出電壓各次諧波含量如表3所示。

圖5　死區(qū)補償試驗波形(1為左橋臂中點電壓，2為右橋臂中點電壓，M為H橋輸出電壓)

基波5k5k+25*25k-25*210k+25*310k-25*3補償前278.95.983.123.1462.4361.97補償后287.04.952.032.0956.3055.00

從表3可知，相比未對大調(diào)制比下的死區(qū)進行補償，補償后的電壓基波幅值增加，其他次諧波幅值均有減小，證明了所提出的死區(qū)補償方法在大調(diào)制比條件下，有利于提高直流電壓利用率，并同時可以減小輸出電壓各次諧波。

3　結(jié)　語

本文針對H橋型變流器應(yīng)用中，大調(diào)制比下的死區(qū)時間導(dǎo)致的直流電壓利用率低、波形畸變問題，提出了一種簡單的死區(qū)補償方法，并分析了補償方法的具體實現(xiàn)。最后，通過試驗對死區(qū)補償進行了驗證，結(jié)果表明了所提出方法的有效性和可行性。

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A Dead-Time Compensation Method of Large Modulation Ratio for Power Converter

CHENYuhang1，LIZhe1，ZHUANGHuogeng2，YUANYang1，CHENMuqing1

(1. Naval Representative Office in No.431 Factory, Huludao 125004, China;2. Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group)Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

A dead-time compensation method was proposed for the problem of the low utilization ratio of DC voltage of H-bridge converter which was caused by the dead-time under large modulation ratio. By treating a large duty ratio as a constant turn-on and a small duty ratio as a constant turn-off, the effect on effective duty ratio could be reduced which caused by the dead-time, and the utilization of the DC voltage of the converter could be improved and the harmonic contents of the converter reduced. The theory and feasibility of the dead-time compensation method were analyzed, and the experimental results showed that the proposed method was simple and effective.

power converter; large modulation ratio; voltage utilization; dead-time compensation

陳宇航，(1991—)，男，工程師，研究方向為艦艇電力系統(tǒng)。

TM 301.2

A

1673-6540(2016)09- 0036- 04

2016-05-26